Domain Observations on FeCrFe Layered Structnres. Evidence for a Biquadratic Coupling Effect

Abstract

The recently discovered oscillating exchange effect in iron–chromium multilayers can best be studied on an epitaxial iron sandwich with a wedge shaped chromium interlayer. Domain patterns are analyzed as well as magnetization curves on such samples using magnetooptical techniques. Unusual domains are found in zones around the transitions between ferromagnetic and antiferromagnetic exchange. Also the magnetization curves for larger chromium thickness show some peculiar features. The interpretation of these patterns invokes coupling between the iron layers which favours a right angle between the magnetization directions in both layers. Such a non-collinear interaction can be derived phenomenologi-cally from a biquadratic coupling as introduced earlier in the analysis of spin structures in oxides. A biquadratic coupling can be understood either as a second order Heisenberg or a second order Dzyaloshinskii interaction. In the course of these investigations domain observations proved to be a useful and sensitive method to detect locally the nature of interactions between ferromagnetic layers. Die kiürzlich entdeckte oszillierende Wechselwirkung in Eisen–Chrom-Vielfachschichten kann am besten an einer epitaxialen Schichtanordnung mit einer keilförmigen Chromzwischenschicht studiert werden. Die auf solchen Proben beobachtbaren Domänenstrukturen sowie die Magnetisierungskurven werden mit magnetooptischen Verfahren untersucht. Im Bereich der Übergänge zwischen ferroma-gnetischer und antiferromagnetischer Kopplung werden Zonen ungewöhnlicher Muster entdeckt. Auch die Magnetisierungskurven für größere Chrom-Schichtdicken zeigten eigentümliche Züge. Die Beobach-tungen lassen sich erklären, wenn eine zusätzliche Kopplung der Schichten angenommen wird, die einen rechten Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen in beiden Schichten begünstigt. Phänomenologisch ergibt sich eine solche nicht-kollineare Kopplung aus der Annahme einer biquadrati-schen Wechselwirkung, wie sie früher in der Analyse von Spinstrukturen magnetischer Oxide eingeführt wurde. Eine biquadratische Kopplung Iäßt sich entweder als Heisenberg- oder Dzyaioshinskii-Wechselwirkung zweiter Ordnung interpretieren. Domänenbeobachtungen erwiesen sich im Laufe dieser Untersuchung als empfindliche Methode zur Untersuchung des Charakters der Kopplung in Vielfachschichten.